viz_kontrol_zachita
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Н.П. Калиниченко, А.Н. Калиниченко
ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ
Учебное пособие для подготовки специалистов
I, II и III уровня
Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно/издательским советом Томского политехнического университета
Издательство Томского политехнического университета
2009
УДК 6681.518.54 К17
Калиниченко Н.П.
К17 Визуальный и измерительный контроль: учебное пособие для подготовки специалистов I, II и III уровня / Н.П. Калиниченко, А.Н. Калиниченко; Томский политехнический университет. – Томск: Изд%во Томского политехнического университета, 2009. – 300 с.
ISBN 978%5%98298%709%9
Пособие содержит теоретический материал, соответствующий требо% ваниям к техническим знаниям персонала, работающего в области неразру% шающего контроля по визуальному и измерительному методу. Значитель% ное место уделено материалу необходимому для сертификации специали% стов III уровня квалификации.
Приведены требования к квалификационному экзамену специалиста III уровня по визуальному и измерительному методу контроля; сравнение требований и области применения нормативных документов при аттеста% ции и переаттестации российских и зарубежных специалистов в области НК на I, II, III международные уровни; типичные индикаторные вопросы, соответственные уровню III, некоторые международные стандарты по ви% зуальному и измерительному методу.
Пособие разработано в рамках реализации Инновационной образова% тельной программы ТПУ по направлению «Неразрушающий контроль» и предназначено для студентов специальностей 200100 «Физические методы и приборы контроля качества», 220501 «Управление качеством».
УДК 681.518.54
Рецензенты
Кандидат технических наук, директор компании «СМТ»
А.Б. Чигорко
Кандидат технических наук, директор ООО «СКАН%КОНТРОЛЬ»
Ф.М. Завъялкин
ISBN 978 5 98298 709 9 © ГОУ ВПО «Томский политехнический университет», 2009
©Калиниченко Н.П., Калиниченко А.Н., 2009
©Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2009
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.1. Модели оптического излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1.2. Основные законы геометрической оптики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1.3. Энергетические и световые величины для описания ОИ . . . . . . . . . . .16 1.4. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 1.4.1. Интерференция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 1.4.2. Методы наблюдения интерференции света . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 1.4.3. Применение интерференции света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 1.4.4. Дифракция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 1.4.5. Поляризация света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 1.5. Световая система единиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 1.5.1. Световые величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 1.5.2. Фотометрические величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 1.6. Оптические и светотехнические характеристики объектов контроля .33 1.6.1. Светотехнические материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 1.6.2. Взаимодействие света с веществом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 1.6.3. Дисперсия света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 1.6.4. Прохождение света через оптически неоднородную среду . . . . . .40 1.7. Функции и параметры зрения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 1.7.1. Иллюзии зрительного восприятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 1.8. Теоретические основы технических измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 1.8.1. Терминология по размерам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 1.8.2. Точность геометрических параметров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
1.8.3. Методы исследования и оценки результирующих погрешностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
1.8.4. Основные единицы СИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 1.8.5. Дополнительные единицы СИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62 1.8.6. Производные единицы СИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 1.8.7. Кратные и дольные единицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Глава 2. ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СВЕТОВЫЕ ПРИБОРЫ И УСТАНОВКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
2.1. Источники света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68 2.2. Тепловые источники света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70 2.3. Другие источники света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
3
2.4. Светофильтры и ослабители света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 2.5. Требования к освещению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
Глава 3. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. ПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА. ОПТИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
3.1. Микроскопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81 3.2. Приемные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82 3.2.1. ПЗС%матрицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 3.2.2. Основные элементы пленочной (аналоговой) фотографии . . . . .86 3.3. Оптические дефектоскопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92 3.3.1. Жесткие эндоскопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94 3.3.2. Гибкие эндоскопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95 3.3.3. Эндоскопические видеосистемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
3.4. Методы измерения геометрических элементов изображения и дефектов в оптических видеосистемах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
3.4.1. Стереоскопический метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102 3.4.2. Теневой метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 3.4.3. Метод сравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 3.5. Измерительные микроскопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 3.5.1. Универсальный измерительный микроскоп УИМ . . . . . . . . . . . .108 3.5.2. Измерительные микроскопы серии MC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 3.6. Телескопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110 3.7. Голографические методы контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 3.7.1. Голографическое оборудование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 3.7.2. Голографическая эндоскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
Глава 4. ПРИБОРЫ И ИНСТРУМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
4.1.Приборы для измерения больших линейных размеров изделий или отклонений от формы
и расположения поверхностей изделия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 4.2. Современные средства и методы измерения неровностей.
Качественные методы контроля шероховатости поверхности . . . . . .133 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
Глава 5. МЕТРОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 5.1. Световые измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 5.2. Измерение освещенности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147
Глава 6. ВИДЫ И ТИПЫ ДЕФЕКТОВ. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ СВАРКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
6.1. Анализ разрушений в условиях эксплуатации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160 6.2. Элементы механики разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
4
Глава 7. АТТЕСТАЦИЯ СПЕЦИАЛИСТОВ III УРОВНЯ ПО ВИЗУАЛЬНОМУ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОМУ
КОНТРОЛЮ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 7.1. Квалификационный экзамен специалиста
по неразрушающему контролю III уровня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172
7.2.Оценка квалификационных экзаменов кандидатов на III уровень . .174
7.3.Аттестация и переаттестация российских и зарубежных
специалистов в области неразрушающего контроля |
|
на I, II, III международные уровни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
.175 |
7.3.1. Сравнение требований и области применения |
|
нормативных документов SNT%TC%AM, EN 473, |
|
ПГР, ISO 9712, NORDTEST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
175 |
7.3.2. Требования к компетентности аттестуемого персонала . . . . . . . . |
180 |
7.3.3. Требования норм к аттестационным инстанциям . . . . . . . . . . . . |
180 |
7.3.4. Требования к подготовке специалистов к экзаменам . . . . . . . . . . |
181 |
7.3.5. Требования к квалификационному экзамену III уровень . . . . . . |
183 |
7.3.6. Аттестация и срок ее действия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
185 |
7.5. Требования к экзаменационным образцам, используемым |
|
для проведения практических экзаменов при аттестации |
|
специалистов по неразрушающему контролю в соответствии |
|
с требованиями ECP (European certification process) . . . . . . . . . . . . . . |
188 |
Приложение 1. Вопросы на знание EN 473:2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199 Приложение 2. Методические рекомендации для подготовки
специалистов неразрушающего контроля III уровня в области материаловедения, технологии материалов
и дефектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205 Приложение 3. Сборник вопросов базового экзамена. Часть А . . . . . . . . . . .208 Приложение 4. Сборник вопросов базового экзамена. Часть Б . . . . . . . . . . .233 Приложение 5. Сборник вопросов общего экзамена
по основному методу неразрушающего контроля . . . . . . . . .254 Приложение 6. Требования по минимальному количеству вопросов
на экзаменах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267 Приложение 7. Структурная схема балльной оценки деятельност
и специалиста III уровня квалификации
при продлении срока действия удостоверения . . . . . . . . . . . .269 Приложение 8. Международные и европейские стандарты
в визуальном контроле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .272 Приложение 9. Европейский стандарт ЕN 970 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .279 Приложение 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .288 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .298
5
ВВЕДЕНИЕ
Специалисты, работающие на опасных производственных объек% тах, осуществляющие неразрушающий контроль (НК) должны быть ат% тестованы в соответствии с «Правилами аттестации специалистов не% разрушающего контроля» (ПБ 03%440%02).
Важнейшие национальные и международные нормы по аттеста% ции персонала в области НК определяют квалификацию специалистов по пяти признакам: профессиональное обучение, практический опыт работы в области НК, физическая пригодность, прохождение курса обучения и сдача квалифицированного экзамена.
Приведенные теоретические материалы для подготовки и струк% турная схема квалификационного экзамена специалиста III уровня на% правлены на достижение определенного уровня знаний как для буду% щих, так и для специалистов I, II и III уровня квалификации по визуаль% ному и измерительному методу контроля в достаточно сжатые сроки.
Контрольные вопросы, соответствующие уровню III, приведены в приложении с целью определения степени освоения материала.
6
Глава 1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ
Оптические методы в неразрушающем контроле или просто опти% ческий неразрушающий контроль (ОНК) – один из самых распростра% ненных и мощных методов исследования свойств объектов контроля (ОК). В его основе лежит взаимодействие оптического излучения (ОИ) с ОК. ОНК позволяет в полной мере обеспечить:
•локальность, т. е. исследование малых участков ОК;
•высокую экспрессность, т. к. скорость получения информации ограничена только скоростью света в среде;
•неконтактность, поскольку световые пучки не оставляют следов в подавляющем большинстве ОК,
•многоканальную обработку информации одним устройством кон% троля, т. к. поток электромагнитных волн имеет несколько инфор% мационных параметров – интенсивность, степень когерентности, поляризацию;
•возможность автоматизации систем контроля.
Особенно важно, что ОНК позволяет представлять измерительную
информацию наиболее удобным для человека образом, причем, во многих случаях – непосредственно (информацию можно просто увидеть!) и сразу после взаимодействия оптического излучения с ОК.
Дефекты, выявляемые ОНК, очень разнообразны. К ним относят% ся пустоты, расслоения, поры, трещины, включения инородных тел, внутренние напряжения, изменение структуры материалов и их физи% ко%химических свойств, отклонения от заданной геометрической фор% мы. Использование устройств, позволяющих преобразовывать внеш% ние воздействия (теплота, электрическое и магнитное поля) в измене% ния оптических характеристики веществ, помогло еще больше расши% рить область применения ОНК. Типичным примером таких устройств являются оптоволоконные датчики.
7
Введение в системы ОНК в качестве источников света лазеров не только значительно повысило точность и разрешающую способ% ность существующих методов контроля, но и привело к появлению це% лого набора новых. К ним относятся разнообразные применения голо% графии и использование резонансных эффектов взаимодействия света
свеществом, в том числе нелинейных.
Втаблице 1 приведены некоторые области применения ОНК и контролируемые характеристики ОК.
Таблица 1
Области применения ОНК и контролируемые характеристики ОК
Область применения |
Контролируемые характеристики |
|
|
|
|
|
Геометрия и качество поверхности деталей и |
|
|
изделий, величина деформации и вибрации де% |
|
Машиностроение |
талей, степень износа режущего инструмента, |
|
|
смещение и скорость перемещения узлов обра% |
|
|
батывающих станков и многое другое |
|
|
|
|
|
Геометрия круглого проката (проволока, трубы |
|
Металлургия |
и т. п.), качество поверхности листового прока% |
|
|
та, качество внутренней поверхности труб |
|
|
|
|
Авиастроение |
Геометрия лопастей винтов, качество внутрен% |
|
них поверхностей двигателей и фюзеляжа |
||
|
||
|
|
|
Электронная |
Характеристики полупроводниковых материа% |
|
лов, деформация печатных плат вследствие на% |
||
промышленность |
||
грева, геометрия фотошаблонов |
||
|
||
|
|
|
Пищевая промышленность |
Качество и состав продуктов |
|
|
|
По своей сути ОНК – физический эксперимент, целью которого служит определение информационных параметров ОК, происходящее в процессе обработки информационных характеристик оптического сиг% нала. Поэтому, любое устройство или прибор ОНК – это оптическая ин% формационная система (ОИС). Структурно%логическая схема ОИС при% ведена на рис. 1. Как видно из этой схемы, процесс работы ОИС выгля% дит следующим образом. Оптическое излучение, генерируемое источни% ком света, взаимодействует с ОК. Возникший в результате этого взаимо% действия оптический сигнал поступает в средство измерения. В средстве измерения на основании принятой физической модели и под влиянием внешних (по отношению к ОК) источников погрешностей формируют% ся результаты наблюдений в виде непрерывного или дискретного сигна% ла (показаний прибора). Результаты наблюдений, в свою очередь, под% вергаются процедуре оценивания, которая и позволяет получить резуль%
8
тат ОНК – сведения о состоянии и/или характеристиках ОК. При этом важную роль играет математическая модель измерения, позволяющая оценить погрешность и достоверность результата ОНК.
Рис. 1. Структурно$логическая схема оптической информационной системы (ОИС)
На основании структурно%логической схемы ОИС можно произ% вести классификацию методов ОНК. Возможны четыре способа такой классификации:
1)по виду контролируемого параметра ОК;
2)физической модели взаимодействия ОИ и ОК;
3)процедуре оценивания;
4)принципу действия средств измерений.
Впрактике ОНК наиболее употребим первый тип классификации, при котором отдельно рассматривают ОИС для определения длины ОК, его скорости, дефектоскопы, измерители давления, температуры и т. п. Однако для лучшего понимания возможностей основных типов ОИС и областей их применений значительно больше подходит четвер% тый вариант классификации ОИС.
Итак, по принципу действия средств измерений ОИС ОНК можно подразделить на такие основные типы:
• визуально фотометрические ОИС – средство измерения содержит оптическую систему, состоящую из набора линз, фотоприемник
9
(глаз или фотоэлемент), оценивание результатов наблюдений про% изводит сам наблюдатель. С помощью таких ОИС (микроскоп, те% лескоп, фотоаппарат) можно определить, главным образом, форму и размеры ОК, а основной физической моделью, которую исполь% зуют для их описания, является геометрическая оптика;
•интерференционные ОИС – средство измерения содержит интерфе% рометр. Такие ОИС производят определение пространственного распределения амплитуды, фазы и степени когерентности оптиче% ского сигнала, а в основе процедуры оценивания лежит скалярная волновая теория света. При этом контроль, как правило, произво% дится на фиксированной частоте, что достигается или за счет мо% нохроматичности источника ОИ, или путем выделения монохро% матической составляющей оптического сигнала в средстве измере% ния. Интерферометрические ОИС обладают высокой разрешаю% щей способностью и используются для высокоточных измерений линейных размеров ОК или его частей, скоростей движения ОК;
•поляризационные ОИС – средство измерения содержит поляри% метр, в качестве основного информационного параметра оптиче% ского сигнала используется степень его поляризации. Разновид% ность поляризационных ОИС – эллипсометры используются для высокоточных измерений состава и толщины тонких пленок на поверхности ОК;
•спектральные ОИС – средство измерения содержит спектроанали% затор, т. е. устройство способное пространственно разделять свето%
вые волны разных частот (призма, дифракционная решетка), и со% ответствующую оптическую систему. Применяются для изучения химического состава ОК.
Для определения результата ОНК в последних двух типах систем обычно достаточно электромагнитной теории света, однако для пони% мания процесса возникновения спектров поглощения тел необходимо привлекать квантовые представления.
Применение лазеров в ОИС позволило расширить набор тради% ционно используемых видов ОИС. В частности, сегодня можно гово% рить о промышленном применении дифракционных методов ОНК, ко% герентно%оптических и голографических ОИС.
Основное внимание будет уделено только наиболее часто приме% няемым ОИС, в особенности тем, которые вошли в инженерно%техни% ческую практику в последние годы.
10